Фотонный кристалл времени — это материал, который обладает временной, а не пространственной структурой. Он остаётся однородным в пространстве, но периодически изменяется во времени, что создаёт уникальные условия для распространения света.
Изменение свойств света при его взаимодействии с материалами лежит в основе многих открытий и технологических достижений, будь то оптические волокна в телекоммуникациях, лазеры в качестве источников света или датчики для химии и биологии.
Международная группа исследователей из Политехнической школы, Колледж де Франс и Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) совершила первую в мире подобную разработку: экспериментально реализовала полностью оптический фотонный кристалл времени (ФКВ) — материал, оптические свойства которого могут сильно и периодически модулироваться во времени на сверхбыстрых масштабах. В этом прорыве, опубликованном в Nature, используется сверхизлучающий терагерцовый источник TELBE от HZDR, который переводит систему в новый режим взаимодействия света и материи в терагерцовом диапазоне. Это открытие открывает путь к сверхбыстрым оптическим вычислениям, новым телекоммуникационным системам и, в конечном итоге, новым типам терагерцовых лазеров.
Терагерцовый диапазон представляет собой границу между электронными и фотонными технологиями. Этот диапазон открывает множество возможностей как для науки, так и для общества, но он все еще недостаточно развит в технологическом плане по сравнению с электрическими и фотонными аналогами. Создание фотонных кристаллов может помочь преодолеть этот разрыв.
Исследователи представили первые фотонные временные кристаллы, в которых оптические свойства материала (например, отражательная способность, резонансная частота) динамически модулируются в пикосекундном диапазоне, что сопоставимо с периодом собственных колебаний света.
Чтобы получить возможность изменять свойства фотонов с течением времени, ученым пришлось создать уникальное сложное устройство. При поддержке Лаборатории Альберта Ферта компании Thales и лаборатории физики интерфейсов Политехнической школы (PICM) они создали особый вид фотонного кристалла, называемый «плазмонным метаматериалом».
Они состоят из золотых зубчатых структур микрометрового масштаба, под которыми находится изолирующий слой и, наконец, полупроводниковый материал из смеси индия и сурьмы. Эти зубцы действуют как резонаторы, которые удерживают фотоны света между золотым и полупроводниковым слоями. Возбуждение поверхности полупроводника приводит к возникновению «поверхностных плазмонов», когда электроны ведут себя как своего рода коллективная волна, способная захватывать свет и поддерживать его колебания.
Исследователи продемонстрировали, что оптические свойства материала, в частности его способность отражать свет, очень сильно модулируются за очень короткие промежутки времени, отправив на это устройство терагерцовые лазерные импульсы с помощью мощного источника терагерцового излучения с настраиваемой частотой TELBE на ускорителе ELBE в Институте Макса Планка. Это экспериментальный результат, поскольку добиться одновременно очень сильной (как если бы объект излучал совершенно другой цвет) и очень быстрой (в пикосекундном масштабе — одна миллиардная миллиардной доли секунды) модуляции было чрезвычайно сложно.
Разработка может изменить представление об использовании света в технологиях, особенно в терагерцовом диапазоне. Благодаря возможности модулировать свет в течение столь коротких промежутков времени эти фотонные временные кристаллы приближают нас к созданию новых типов сверхбыстрых лазеров для медицинской визуализации и связи, а также позволяют по требованию настраивать свойства света, например мгновенно менять его «цвет» или интенсивность, для создания более умных и адаптивных оптических систем.